あえて言うほどではない文字列結合 Java 9 でもやってみた編

こんにちは。梶原です。
これは TECHSCORE Advent Calendar 2017 の9日目の記事です。

Java 9 がリリースされ、Java 8 の End of Life を本腰入れて考え始めなければいけない今日この頃。
いま更感が半端ないですが、文字列結合のベンチマークレッツトライ (｀・ω・´)です。

元ネタは我が TECHSCORE ブログが誇る人気シリーズ「あえて言うほどではない」の過去記事（2012年11月29日）です。
あえて言うほどではない文字列結合 Java編

プラス演算子
String#concat()
StringBuffer
StringBuilder

上記の方法で結合する処理を 10万回ループ中に実施、Java 5, Java 6, Java 7 で計測しています。結果も非常に興味深いです。過去記事も是非ご覧ください！

今回は Java 7, Java 8, Java 9（執筆時点 9.0.1）での計測です。
ベンチマーク計測には jmh を利用しました。
OpenJDK: jmh
では、やってみましょう。

計測用コード

文字列結合を10万回ループ中に実施。計測はウォームアップ・イテレート回数ともに jmh のデフォルト値である 20 回で行いました。

package sample.jmh.test;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

public class MyBenchmark1 {
    /** ループ回数：10万回 */
    private static final int LOOP_COUNT = 100000;
    /** 結合する文字列 */
    private static final String S1 = "sss";

    @Benchmark
    public void test1() {
        // プラス演算子
        String s = "";
        for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {
            s = s + S1;
        }
    }

    @Benchmark
    public void test2() {
        // String#concat()
        String s = "";
        for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {
            s = s.concat(S1);
        }
    }

    @Benchmark
    public void test3() {
        // StringBuffer
        StringBuffer buf = new StringBuffer();
        for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {
            buf.append(S1);
        }
        buf.toString();
    }

    @Benchmark
    public void test4() {
        // StringBuilder
        StringBuilder bld = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {
            bld.append(S1);
        }
        bld.toString();
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(MyBenchmark1.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .timeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
                .mode(Mode.AverageTime)
                .build();
        new Runner(opt).run();
    }
}

package sample.jmh.test;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;

import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;

import org.openjdk.jmh.runner.Runner;

import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;

import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;

import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

public class MyBenchmark1 {

/** ループ回数：10万回 */

private static final int LOOP_COUNT = 100000;

/** 結合する文字列 */

private static final String S1 = "sss";

@Benchmark

public void test1() {

// プラス演算子

String s = "";

for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {

s = s + S1;

}

@Benchmark

public void test2() {

// String#concat()

String s = "";

for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {

s = s.concat(S1);

}

@Benchmark

public void test3() {

// StringBuffer

StringBuffer buf = new StringBuffer();

for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {

buf.append(S1);

}

buf.toString();

}

@Benchmark

public void test4() {

// StringBuilder

StringBuilder bld = new StringBuilder();

for (int i = 0; i < LOOP_COUNT; i++) {

bld.append(S1);

}

bld.toString();

}

public static void main(String[] args) throws RunnerException {

Options opt = new OptionsBuilder()

.include(MyBenchmark1.class.getSimpleName())

.forks(1)

.timeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)

.mode(Mode.AverageTime)

.build();

new Runner(opt).run();

}

実行結果ログのうちベンチマークが記述された部分は以下のように出力されます。

Benchmark           Mode  Cnt     Score     Error  Units
MyBenchmark1.test1  avgt   20  5647.217 ± 138.807  ms/op
MyBenchmark1.test2  avgt   20  4275.261 ± 148.679  ms/op
MyBenchmark1.test3  avgt   20     0.971 ±   0.015  ms/op
MyBenchmark1.test4  avgt   20     1.079 ±   0.026  ms/op

Benchmark Mode Cnt Score Error Units

MyBenchmark1.test1 avgt 20 5647.217 ± 138.807 ms/op

MyBenchmark1.test2 avgt 20 4275.261 ± 148.679 ms/op

MyBenchmark1.test3 avgt 20 0.971 ± 0.015 ms/op

MyBenchmark1.test4 avgt 20 1.079 ± 0.026 ms/op

test1(プラス演算子による結合)の実行には平均 5647.217 ミリ秒かかった、と読みます。

計測結果

計測用コードを 60 回実行した平均値(読みやすいように四捨五入しています)を、以下の表にまとめました。単位はミリ秒です。

ループ10万回	Java 7	Java 8	Java 9
プラス演算子	6152.228	5614.730	2009.843
String#concat()	4407.053	4304.561	2193.133
StringBuffer	1.523	1.088	1.345
StringBuilder	1.112	1.083	0.415

何といっても目を引くのは、Java 9 の処理速度。
プラス演算子と String#concat() と StringBuilder、素晴らしいですよね。今回のような簡単な計測方法でも、さらっと Java 8 の 2倍速を叩き出しました。

Java 9 における文字列の処理効率向上「Compact Strings」と「Indify String Concatenation」

JEP 254: Compact Strings
JEP 280: Indify String Concatenation

まずは、プラス演算子の計測結果に注目します。Indify String Concatenation の影響を受けて爆速化したと思われます。

String (Java Platform SE 8 )
Java 8 までの常識は「文字列連結はStringBuilder (またはStringBuffer)クラスとそのappendメソッドを使って実装されています」でした。

String (Java SE 9 & JDK 9 )
ところが、Java 9 では上記の記述が API ドキュメントからまるっと削除され、代わりの記述に「文字列の連結と変換の詳細については、「Java™言語仕様」を参照してください」とあります。何と、StringBuilder を使わなくなったのです。Java 9 からの新常識。ぜひ覚えておきたいものです。

詳細はまた別の機会に書こうと思いますが、ざっくりと言うと「予め結合する文字列の長さの byte 配列を確保して文字列を詰めていき、String に変換する」が Java 9 プラス演算子の処理の中身です。

次に、プラス演算子と String#concat() と StringBuilder の処理効率向上の素、Compact Strings に簡単に触れておきます。

これまでの実装では、文字列を 2 バイトの char 配列として格納していました。
Java の中の人は考えました。「半角英数字や記号・数字など、文字コード Latin-1 を取り扱うことがほとんどなんだから 1 バイト無駄にしている」と。「だったら、Latin-1 (1 バイト)で持とうよ」。
結果、文字列を Latin-1、1 バイトの byte 配列として格納するようなった＝ Compact Strings です。Latin-1 以外の文字、例えば日本語「あ」の場合ではこれまでどおり 2 バイトの UTF-16 として格納します。

たしかに、ぎゅっとコンパクト化されました。
でも、私達は漢字とひらがなデータを取り扱うことも多いのです...
残念な結果が予想されますが、やってみました。ひらがな「あああ」文字列結合のベンチマークレッツトライ (｀・ω・´)です。

ループ10万回	Java 7	Java 8	Java 9
プラス演算子	6027.036	5511.940	4033.945
String#concat()	4219.871	4245.241	4428.548
StringBuffer	1.483	1.158	1.636
StringBuilder	1.095	1.066	0.721

Latin-1 以外の文字列では Compact Strings の恩恵をおおいに受ける、ということはなさそうです。
Java 8 から Java 9 に変更したのに思ったほど処理速度が上がらない、というケースも出てきそうです。当たり前の話ですが、内部処理を理解してデータに沿った最適化が必要になるということでしょう。

それにしても StringBuffer。Java 8 よりも Java 9 の方が遅くなっています。いったいどうしたんでしょう...（´・ω・｀）
また機会があれば調べてみたいと思います。

まとめ

Java 9 では文字列結合は高速になる（ただし Latin-1 に限る !!）
Java 9 ではプラス演算子の内部処理は StringBuilder (またはStringBuffer) ではない
バージョンUP＝処理の高速化ではなく、内部処理を理解した最適化が必要になる

Java 9 の新機能はまだまだあります。驚きと喜びに浸りつつ、少しずつでも読み解いて行きたいと思います。